Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen im Abgas von Brennkraftmaschinen

Abstract

 Eine Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikel, im Abgas von Brennkraftmaschinen hat eine Brennkammer (1) und einen gleichachsig durch eine Überströmöffnung (6) ange­schlossenen Zündbrenner (3). Der Zündbrenner, dem Kraftstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden, hat in einer Aufbereitungskammer (4) einen mittig angeordneten, rotationssymmetrischen Glühkörper (40) und in einer Ausbauchung (36) der Aufbereitungskammer eine Glühkerze (37). Die Brennkammer (1) hat eine glockenförmige, zur Überströmöffnung hin offene heiße Brennkammer (19) und hinter dieser mehrere labyrinthartige Ringkanäle (18, 21, 22), zu denen sich mit­tig ein Tauchrohr (10) zur Brennkammer hin erstreckt, durch welches ein die Rußpartikel (14) tragender Abgasstrom in die heiße Brennkam­mer geleitet wird. Der Abgasstrom mit den Rußpartikeln tritt durch radiale Auslässe (12) quer zur Erstreckungsrichtung der durch die Überströmöffnung (6) schlagenden Zündflamme in die heiße Brennkammer (19) ein. Die zugeführten Rußpartikel werden größtenteils in der heißen Brennkammer (19) und der Rest in den labyrinthartigen Kanälen verbrannt. Das Brennerabgas wird im Gegenstrom zu dem durch das Tauchrohr zugeführten, mit Rußpartikeln beladenen Abgas abgeführt.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung für Feststoffteilchen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

[0002] Zum Entfernen von Ruß aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, insbe­sondere Dieselbrennkraftmaschinen, ist es bereits durch die DE-OS 34 24 196 bekannt, die Rußteilchen durch eine elektrostatische Ruß­weiche aus dem Abgas auszuscheiden und diese in einem abgeteilten Abgasstrom einer Verbrennungsvorrichtung zum Verbrennen zuzuführen. Bei einer in der deutschen Patentanmeldung P 35 26 074 vorgeschlage­nen Verbrennungsvorrichtung der oben angegebenen Gattung ragt mittig in die Aufbereitungskammer, in die flüssiger Brennstoff, insbeson­dere Kraftstoff, und Verbrennungsluft dosiert zugeführt und dort in­tensiv vermischt und entzündet werden, ein Glühkörper in Form eines elektrisch beheizten Glühstiftes, der nach dem Starten für ein sta­biles Entflammen des Kraftstoff-Luft-Gemisches sorgt. Die in der Aufbereitungskammer erzeugte Pilotflamme schlägt durch die Über­strömöffnung in die eigentliche Brennkammer, in die die zu verbren­nenden Rußteilchen mit einem vom Abgas der Brennkraftmaschine abge­zweigten Teilstrom als Träger eingeführt werden. Bei der vorge­ schlagenen Verbrennungsvorrichtung hat es sich als nachteilig her­ausgestellt, daß der Glühstift der Zündeinrichtung, der zum Starten der Zündung einen elektrischen Heizkörper enthält, einer thermischen Überlastung und Abnutzung ausgesetzt ist, da dieser während des Be­triebs dauernd auf hoher Temperatur gehalten wird.

Vorteile der Erfindung

[0003] Die erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß durch die außer­mittige, außerhalb des Flammbereichs liegende Anordnung der Zündein­richtung in der Aufbereitungskammer eine thermische Überlastung ver­hindert wird, so daß die Zündeinrichtung eine hohe Standzeit hat. Ferner ergibt sich der Vorteil, daß der Glühkörper, der als Stabili­sierungselement für die Flamme wirkt, in einer besonders strömungs­geeigneten Form gestaltet und auch seine Masse den besonderen ther­mischen Gegebenheiten angepaßt werden kann.

[0004] Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 2 wird eine besonders hohe Standzeit der Zündeinrich­tung und ein schnelles Starten der Zündung erzielt.

[0005] Durch die Weiterbildung nach Anspruch 6 wird die aus der Aufberei­tungskammer in die Brennkammer schlagende Pilotflamme, die mit Drall austritt, konzentriert und ein Aufweiten verhindert.

[0006] Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die in den anderen Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen der Verbrennungsvorrichtung möglich.

Zeichnung

[0007] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fi­gur 1 eine Verbrennungsvorrichtung im Längsschnitt, Figur 2 einen Glühkörper in Seitenansicht, Figur 3 den Glühkörper nach Figur 2 im Querschnitt, Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Glühkör­pers in Seitenansicht, Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Glühkörpers im Längsschnitt und Figur 6 und 7 ein fünftes Ausfüh­rungsbeispiel eines Glühkörpers im Längs- und Querschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0008] Zum Entfernen von Rußteilchen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen, wird der Abgasstrom zunächst durch eine beispielsweise durch die DE-OS 34 24 196 bekannte elek­trostatische Rußweiche und einen Fliehkraftabscheider geleitet, an dessen einem Ausgang Abgas austritt, das weitgehenst von Ruß und an­deren Feststoffteilchen frei ist, und an dessen anderem Ausgang ein Abgasteilstrom austritt, der mit den ausgeschiedenen Ruß- und Fest­stoffteilchen angereichert ist. Zum Entsorgen des Rußes wird der Ab­gasteilstrom einer nachgehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Verbrennungsvorrichtung zugeführt.

[0009] Die Verbrennungsvorrichtung hat eine Brennkammer 1 in einem zylind­rischen Mantel 2 und daran gleichachsig anschließend einen Zündbren­ner 3 mit einer Brennstoffgemisch-Aufbereitungskammer 4 in einem kappenförmigen Gehäuse 5. Die Brennkammer 1 und die Aufbereitungs­kammer 4 sind miteinander über eine Überströmöffnung 6 in einer Trennwand 7 verbunden, in der die Überströmöffnung 6 die Form einer zur Brennkammer 1 hin sich verengenden Düse hat.

[0010] In die zylindrische Brennkammer 1 ragt von dem im Zündbrenner 3 ge­genüberliegenden Ende gegen die Überströmöffnung 6 gleichachsig ein Tauchrohr 10, dessen Ende 11 axial verschlossen ist und zur Über­strömöffnung 6 hin einen bestimmten Abstand hat. Nahe seinem Ende 11 hat das Tauchrohr 10 mehrere, beispielsweise zwei radiale Auslässe 12, durch die der durch das Tauchrohr 10 zugeführte, mit Rußparti­keln 14 beladene Abgasstrom 15 in die Brennkammer 1 gelangt. Die Auslässe 12 liegen innerhalb eines Rohrstücks 16, das mit einer Trennwand 17 am Tauchrohr 10 gleichachsig befestigt ist, so daß zwi­schen dem Außenumfang des Rohrstücks 16 und der Innenseite des Man­tels 2 der Brennkammer 1 ein ringförmiger Spalt 18 gebildet wird. Die Trennwand 17 und der die Auslässe 12 des Tauchrohrs 10 umgebende Teil des Rohrstücks 16 umschließen in Form einer Glocke eine zur Überströmöffnung 6 hin offene heiße Brennkammer 19 mit einem be­grenzten Volumen. In dieser heißen Brennkammer 19 werden die aus den Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 entzündet und größtenteils verbrannt. Die entstehenden Verbrennungsgase und die unvollständig verbrannten Rußpartikel 14 treten am äußeren Umfang der glockenför­migen heißen Brennkammer 19 aus und werden an der Stirnkante des Rohrstücks 16 zum Spalt 18 hin umgelenkt.

[0011] In den sich hinter der heißen Brennkammer 19 erstreckenden Teil des Rohrstücks 16 ragt gleichachsig ein zweites Rohrstück 20, das mit einem Flansch 21 am Mantel 2 der Brennkammer 1 befestigt ist. Die Rohrstücks 16 und 20 unterteilen die Brennkammer 1 in mehrere mit­einander verbundene Ringspalte 18, 21 und 22, die ein Labyrinthsy­stem bilden und den Strömungweg des Verbrennungsgases verlängern. Durch diese Ausbildung der Brennkammer 1 wird die Verweilzeit des Verbrennungsgases erhöht und dadurch der Ausbrandgrad gesteigert. Am Auslaßende des innersten Ringspaltes 22 schließt sich eine von einer Tasse 24 gebildete Sammelkammer 25 an, durch die das Tauchrohr 10 ragt und von der ein Abgasstutzen 26 zum Abführen der Brennerabgase 27 wegführt. Durch die gleichachsige Anordnung des Tauchrohres 10 zu dem vom Rohrstück 20 gebildeten innersten Ringspalt 22 wird ein Ge­genstromwärmetauscher gebildet, der eine hohe Wärmeausnutzung ge­währleistet. Die heißen Brennerabgase erwärmen über das Tauchrohr 10 den durch diesen geführten, mit Rußpartikeln beladenen Abgasstrom, so daß die aus den Auslässen 12 austretenden Rußpartikel 14 inner­halb kurzer Zeit auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Aufgrund der Vorwärmung im Tauchrohr 10 sind bei Dieselabgasen, die einen Restsauerstoffanteil haben, bereits Vorreaktionen möglich, die den Ausbrandgrad günstig beeinflussen.

[0012] Zum Erzeugen einer Zünd- oder Pilotflamme, die aus der Aufberei­tungskammer 4 des Zündbrenners 3 durch die Überströmöffnung 6 gegen das Ende 11 des Tauchrohrs 10 in die heiße Brennkammer 19 schlägt, münden in die Aufbereitungskammer 4 eine Brennstoffzuführleitung 30 und eine oder mehrere, beispielsweise zwei Luftzuführleitungen 31, 32. Die Eintrittsöffnungen 33, 34 der Luftzuführleitungen 31, 32 münden gleichgerichtet tangential in die Aufbereitungskammer 4 nahe der Trennwand 7, so daß die Verbrennungsluft mit Drall in die Aufbe­reitungskammer 4 einströmt. Die Brennstoffzuführleitung 30 mündet in eine durch einen Ansatz 35 gebildete Ausbauchung 36 der Aufberei­tungskammer 4. In diese außermittige Ausbauchung 36 ragt eine an sich bekannte Glühkerze 37, die zum Starten der Verbrennungsvorrich­tung mit einem elektrischen Strom versorgt wird. Mittig in der Auf­bereitungskammer 4 des Zündbrenners 3 ist ein rotationssymmetrischer Glühkörper 40 angeordnet. Er ist an der Stirnwand des Gehäuses 5 be­festigt und erstreckt sich zur Überströmöffnung 6 hin. Der Glühkör­per 40 hat mehrere, beispielsweise drei von einem Schaft 41 radial abstehende Ringrippen 42, von denen die der Überströmöffnung nahen Ringrippen 42 gleichmäßig verteilte Durchbrüche 43 haben.

[0013] Zum Erzeugen der Pilotflamme und zum Zuführen von für die Verbren­nung der Rußpartikel 4 nötigen Luft ist in die Brennstoffzuführlei­tung 30 ein Steuerventil 45 oder eine Pumpe und in die Luftzuführung ein Gebläse 46 geschaltet, die beide von einem zentralen Steuergerät 47 so gesteuert werden, daß die für die Verbrennung nötigen Mengen an Brennstoff und Luft dosiert zugeführt werden.

[0014] Mit dem Steuergerät 47 ist außerdem die Glühkerze 37 verbunden. Fer­ner ist das Steuergerät 47 zur Flammenüberwachung im Aufbereitungs­raum 4 des Zündbrenners 3 mit einem in das Gehäuse eingesetzten Sen­sor 48 verbunden, der als optischer Sensor, als Temperatursonde oder als Ionenstromsonde ausgebildet sein kann.

[0015] Um die Wärme der Verbrennungsvorrichtung gut auszunützen, ist diese nach außen isoliert. Dazu umgibt eine äußere Schale 50 das Gehäuse 5 des Zündbrenners 3, den Mantel 2 der Brennkammer 1 und die Tasse 24 der Sammelkammer 25. Durch den von der Schale 50 gebildeten Ringraum 51 wird von dem Gebläse 46 die für die Verbrennung nötige Verbren­nungsluft 52 hindurchgedrückt, wobei sich diese erwärmt und gleich­zeitig als Kühlmittel für die Verbrennungsvorrichtung dient. Die Schale 50 hat im Bereich der Sammelkammer 25 einen Einlaßstutzen 53 und im Bereich des Zündbrenners 3 einen Auslaßstutzen 54, der über eine Leitung 55 mit den Luftzuführungsleitungen 31, 32 verbunden ist.

[0016] Zur Inbetriebnahme der beschriebenen verbrennungsvorrichtung wird zunächst die Glühkerze 37 mit Strom versorgt und durch die Brenn­stoffzuführleitung 30 vorzugsweise flüssiger Kraftstoff in die Aus­bauchung 36 der Aufbereitungskammer 4 geleitet. Gleichzeitig fördert das Gebläse 46 Verbrennungsluft in die Aufbereitungskammer 4 durch die beiden Eintrittsöffnungen 33, 34. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur entzündet sich das Brennstoff-Luftgemisch in der Aufbe­reitungskammer 4 und die Flamme schlägt durch die Überströmöffnung 6 in die glockenförmige heiße Brennkammer 19. Nach einiger Zeit er­reicht der Glühkörper 40 Zündtemperatur, so daß die Flammenbildung stabilisiert wird. Die Glühkerze 37 kann nun abgeschaltet werden. Die unter Drall infolge der tangentialen Zuführung der Luft durch die Überströmöffnung 6 in die heiße Brennkammer 19 schlagende Zünd­flamme wird durch die Ausbildung der Überströmöffnung 6 als Düse in der Axialen konzentriert, so daß in der Mitte der heißen Brennkammer 19 eine sehr heiße Verbrennungskernzone gebildet wird, in der die Rußpartikel 14 schnell auf Reaktionstemperatur gebracht werden. Nach einer Rezirkulation in der Brennkammer 19 strömen die Verbrennungs­abgase unter weiterer Reaktion durch einen relativ langen, durch die Ringspalte 18, 21 und 22 gebildeten Weg in die Sammelkammer 25 und von dort als sauberes, abgekühltes Abgas ab.

[0017] Neben dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des Glühkörpers, der eine Gasvermischung fördernde und die Flamme zur Überströmöff­nung 6 zur Brennkammer 1 hin leitende Flächen hat, sind andere Ge­staltungsformen möglich. Im Prinzip sind rotationssymmetrische For­men bevorzugt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 hat der Glühkörper 40 eine zylindrische Grundform, in die kreuzweise vier Längsnuten 61 eingearbeitet sind, so daß vier Längsrippen 62 gebil­det werden. In die radial äußere Fläche der Längsrippen 62 sind zu­sätzlich Längsnuten 63 eingeformt, deren Tiefe geringer ist als die der Längsnuten 61. Anstelle von achsparallelen Längsnuten können in den Glühkörper 40, wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 darge­stellt ist, auch nur eine oder zwei Nuten 65 eingearbeitet sein, die wendelförmig verlaufen und so dem Glühkörper die Form einer Schnecke 66 verleihen. Anstelle einer kompakten Gestaltung kann der Glühkör­per 40 auch die Form einer zylindrischen Hülse 70 haben, deren Man­tel von mehreren Durchbrüchen 71, 72 der Bohrungen dudrchsetzt ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 verlaufen die Durchbrüche 71 radial zur Längsachse des Glühkörpers. Dagegendurchsetzen die Durch­brüche 72 die Hülse 70 beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 und 7 zur Radialen schräg, so daß die durchtretenden Gase einen Drall erhalten.

[0018] Ergänzend wird bemerkt, daß die Teile der Verbrennungsvorrichtung die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie insbesondere der Glüh­körper 40, aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen, bei­spielsweise aus einer unter dem Namen "Inconel" bekannten Nickel­basislegierung oder aus Keramik.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Verbrennen von Feststoffteilchen, insbesondere Rußpartikel, im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einer Brennkammer (1), in die durch ein Tauchrohr (10) ein mit den Teilchen (14) bela­dener Abgasstrom (15) eingeleitet und aus der das Verbrennungspro­dukt (27) abgeleitet wird, mit einem Zündbrenner (3) der eine Brenn­stoff-Gemischaufbereitungskammer (4) und eine diese mit der Brenn­kammer verbindende Überströmöffnung (6) hat, mit einem Glühkörper (40) und einer Zündeinrichtung (37) im Zündbrenner sowie mit Zulei­tungen (30; 31, 32) für flüssigen Brennstoff und Verbrennungsluft in die Aufbereitungskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündein­richtung (37) außermittig und getrennt von dem zentral in der Aufbe­reitungskammer (4) angeordneten Glühkörper (40) angeordnet ist der die Gasvermischung fördernde und die Flamme zur Überströmöffnung hin leitende Flächen aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (37) in einer Ausbauchung (36) der Aufbereitungskam­mer (4) angeordnet ist und daß der Brennstoffeinlaß (30) in die Aus­bauchung (36) mündet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung eine elektrisch beheizbare Glühkerze (37) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der sich gleichachsig in der Aufbereitungskammer (4) erstreckende, rotationssymmetrische Glühkörper (40) mehrere Ringrip­pen (42) hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringrippen (42) Durchbrüche (43) haben.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß die die Aufbereitungskammer (4) und die Brennkammer (1) miteinander verbindende Überströmöffnung (6) als sich zur Brenn­kammer hin verjüngende Düse ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Glühkörper (40) mehrere Längsrippen (62) hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippen (62) einen dreieckförmigen Querschnitt mit einer Längs­nut (63) in der radial äußeren Fläche haben.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Glühkörper (40) die Form einer Schnecke (66) mit einer wendelförmigen Nut (65) hat.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Glühkörper die Form einer Hülse (70) mit mehreren Durchbrüchen (71, 72) hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchbrüche (72) schräg zu den Radialen der Hülse (70) erstrek­ken.

Zeichnung